КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ КАМЕРУ СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2018 года по МПК F23R3/16 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Изобретение относится к камере сгорания газовой турбины и, более конкретно, к камере сгорания типа DLN, содержащей акустический резонатор.

[0002] Газотурбинные установки обычно содержат по меньшей мере один газотурбинный двигатель, имеющий компрессор, камеру сгорания и турбину. Камера сгорания может использовать сухое сгорание с низкими выбросами NO_x (DLN). При сгорании типа DLN топливо и воздух предварительно смешиваются до сжигания, что снижает выбросы. Однако обедненный процесс сгорания с предварительным смешиванием чувствителен к возмущениям потока и акустическим волнам давления. Более конкретно, возмущения потока и акустические волны давления могут привести к самоподдерживающимся колебаниям давления на различных частотах. Эти колебания давления называются динамикой сгорания. Динамика сгорания может вызывать вибрации конструкции, износ и другие ухудшения в работе.

[0003] Желательно обеспечить подавление динамики сгорания в камере сгорания типа DLN ниже определенных уровней для поддержки низких выбросов. Для частот осевой моды колебаний, которые обычно ниже 500 Гц, динамикой сгорания можно эффективно управлять, используя акустические резонаторы, помещенные в оптимально выбранных местах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В иллюстративном варианте выполнения камера сгорания газовой турбины содержит корпус, образующий внешнюю границу камеры сгорания, и топливные форсунки, расположенные в корпусе и соединенные с источником топлива. Топливо и воздух от топливных форсунок поступают в жаровую трубу, которая ограничивает зону горения, причем между жаровой трубой и корпусом расположен проточный патрубок. Проточный патрубок служит для распределения выпускаемого компрессором воздуха к головной концевой части камеры сгорания, а также для охлаждения жаровой трубы. С жаровой трубой соединена переходная часть, обеспечивающая подачу продуктов сгорания к турбине. Смежно с проточным патрубком выше по потоку от переходной части расположен резонатор, который служит для ослабления динамики сгорания.

[0005] В другом иллюстративном варианте выполнения установка содержит компрессор, выполненный с возможностью сжатия входящего потока воздуха, камеру сгорания, выполненную с возможностью смешивания сжатого потока воздуха с топливом и сжигания смеси воздуха и топлива в зоне горения, и турбину, выполненную с возможностью приема продуктов сгорания из камеры сгорания. Камера сгорания содержит упомянутый корпус, топливные форсунки, жаровую трубу, проточный патрубок, переходную часть и резонатор.

[0006] Еще в одном иллюстративном варианте выполнения установка содержит компрессор, выполненный с возможностью сжатия входящего потока воздуха, и камеру сгорания, выполненную с возможностью смешивания сжатого потока воздуха с топливом и сжигания смеси воздуха и топлива в зоне горения. Камера сгорания имеет горячую сторону ниже по потоку от зоны горения и холодную сторону выше по потоку от зоны горения. Установка также содержит турбину, выполненную с возможностью приема продуктов сгорания из камеры сгорания. Камера сгорания содержит резонатор, расположенный на холодной стороне камеры сгорания в кольцевом канале между проточным патрубком и корпусом камеры сгорания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] На фиг.1 показана блок-схема иллюстративной газотурбинной установки;

[0008] На фиг.2 показан схематический вид камеры сгорания;

[0009] На фиг.3 показан вид в разрезе с торца камеры сгорания, показанной на фиг.2;

[0010] На фиг.4 показан схематический вид, изображающий компоненты резонатора;

[0011] На фиг.5 показан схематический вид с резонатором в альтернативном варианте выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Как описано выше, газотурбинные установки содержат камеры сгорания, в которых может использоваться технология DLN или другой процесс сгорания, который чувствителен к возмущениям потока и/или акустическим волнам давления. В частности, динамика горения в камере сгорания может проявляться в самоподдерживающемся процессе осцилляции давления, что может вызывать структурные вибрации, износ, механическую усталость, термическую усталость и другие ухудшения работы камеры сгорания. Одна из технологий, обеспечивающая уменьшение динамики горения, заключается в использовании резонатора, такого как резонатор Гельмгольца. В частности, резонатор Гельмгольца является демпфирующим механизмом, который содержит несколько узких трубок, суженных частей, или других каналов, соединенных с большой полостью. Резонатор служит для уменьшения и поглощения модуляций горения, создаваемых камерой сгорания. Глубина суженных частей или каналов, а также размер большой полости, ограниченной резонатором, может быть связан с частотой акустических волн, для которых резонатор эффективен.

[0013] На фиг.1 показана блок-схема варианта выполнения газотурбинной установки 10. Установка 10 содержит компрессор 12, камеры 14 сгорания и турбину 16. Ниже в описании может упоминаться осевое направление или ось 42, радиальное направление или ось 44, и окружное направление или ось 46 камеры 14 сгорания. Камеры 14 сгорания содержат топливные форсунки 18, которые направляют жидкое топливо и/или газовое топливо, такое как природный газ или синтетический газ, в камеры 14 сгорания. Как показано, каждая камера 14 сгорания может иметь несколько топливных форсунок 18. Более конкретно, каждая камера 14 сгорания может содержать первичную систему впрыска топлива, имеющую первичные топливные форсунки 20, и вторичную систему впрыска топлива, имеющую вторичные топливные форсунки 22. Топливные форсунки могут иметь несколько контуров, например шесть топливных форсунок, к одной из которых топливо подается независимо, при этом группа из двух топливных форсунок может иметь независимый топливный контур, а группа из трех топливных форсунок может иметь другой независимый контур. Независимо от расположения и группирования топливных форсунок, камера сгорания содержит несколько независимых топливных контуров.

[0014] Камеры 14 сгорания, показанные на фиг.1, обеспечивают воспламенение и сжигание воздушно-топливной смеси и затем прохождение горячих сжатых газов 24 сгорания (например, выхлопных газов) в турбину 16. Турбинные лопатки присоединены к общему валу 26, который также присоединен к нескольким другим компонентам установки 10. Когда газы 24 сгорания проходят через турбинные лопатки в турбине 16, турбина 16 приводится во вращение, что заставляет вал 26 вращаться. Наконец, газы 24 сгорания покидают газотурбинную установку 10 через выпускное отверстие 28. Кроме того, вал 26 может быть присоединен к нагрузке 30, которая приводится в действие вращением вала 26. Например, нагрузка 30 может быть любым подходящим устройством, которое может генерировать энергию через вращательный выход установки 10, таким как электростанция, или внешняя механическая нагрузка. Например, нагрузка 30 может представлять собой электрический генератор, пропеллер и т.д.

[0015] В варианте выполнения газотурбинной установки 10 компрессорные лопатки используются в качестве компонент компрессора 12. Лопатки внутри компрессора 12 также присоединены к валу 26 и вращаются, когда вал 26 приводится во вращение турбиной 16, как описано выше. Вращение лопаток в компрессоре 12 обеспечивает сжатие воздуха, поступающего из воздухозаборника 32, с получением сжатого воздуха 34. Сжатый воздух 34 затем подается в топливные форсунки 18 камер 14 сгорания. Топливные форсунки 18 обеспечивают смешивание сжатого воздуха 34 и топлива с получением подходящего соотношения смеси для сгорания (например, сгорание, обеспечивающее более полное сжигание топлива), так чтобы избегать потерь топлива или не образовывать избыточных выбросов.

[0016] На фиг.2 показан схематический вид одной из камер 14 сгорания, изображенных на фиг.1, показывающий вариант выполнения резонатора 40, расположенного вместе с камерой 14 сгорания. Как описано выше, компрессор 12 получает воздух от воздухозаборника 32, сжимает воздух и создает поток сжатого воздуха 34 для использования в процессе сгорания внутри камеры 14 сгорания. Как показано в иллюстрированном варианте выполнения, сжатый воздух 34 поступает в патрубок 48 компрессора, который функционально присоединен к камере 14 сгорания. Как показано стрелками 52, сжатый воздух 34 проходит из патрубка 48 компрессора к головной концевой части 54 камеры 14 сгорания. Более конкретно, сжатый воздух 34 проходит через кольцевой канал 56 между жаровой трубой 58 и проточным патрубком 60 камеры 14 сгорания и достигает головной концевой части 54. Корпус 59 служит в качестве внешней границы или в качестве кожуха камеры сгорания.

[0017] В некоторых вариантах выполнения головная концевая часть 54 содержит пластины 61 и 62, которые могут поддерживать топливные форсунки 20, показанные на фиг.1. В варианте выполнения, показанном на фиг.2, к топливным форсункам 20 обеспечивается подача топлива 66 источником 64 топлива. Кроме того, в топливные форсунки 20 поступает сжатый воздух 34 из кольцевого канала 56 камеры 14 сгорания. Топливные форсунки 20 смешивают сжатый воздух 34 с топливом 66, подаваемым источником 64 топлива, с образованием смеси воздуха с топливом. Смесь воздуха с топливом поджигается и сгорает в зоне 68 горения камеры 14 сгорания с образованием газов сгорания (например, выхлопа). Газы сгорания проходят в направлении 70 к переходной части 72 камеры 14 сгорания. Газы сгорания проходят через переходную часть 72, как показано стрелкой 74, к турбине 16, где они вращают лопатки турбины 16.

[0018] Камера 14 сгорания также содержит резонатор 40, расположенный между проточным патрубком 60 и корпусом 59 смежно с впускным отверстием проточного патрубка 60. Как описано выше, при процессе сгорания образуются волны давления, акустические волны и другие колебания, называемые динамикой сгорания. Динамика сгорания может вызывать ухудшение работы, структурные напряжения и механическую или термическую усталость в камере 14 сгорания. Таким образом, камеры 14 сгорания могут содержать резонатор 40, например резонатор Гельмгольца, обеспечивающий уменьшение эффектов динамики сгорания в камере 14 сгорания.

[0019] Как показано на фиг.2, резонатор 40 установлен на проточном патрубке на холодной стороне камеры сгорания. На фиг.3 показан разрез по линии 3-3, показанной на фиг.2. Как показано на чертеже, резонатор 40 предпочтительно расположен в кольцевом канале между проточным патрубком 60 и корпусом 59. Резонатор 40 предпочтительно прикреплен к проточному патрубку 60. Как показано на фиг.4, резонатор 40 имеет полость 78, содержащую трубки 76, проточно сообщающиеся с потоком воздуха между жаровой трубой 58 и проточным патрубком 60. Трубки 76 проходят в кольцевой канал в полости 78 между патрубком 60 и корпусом 59. На фиг.5 показано альтернативное расположение с резонатором 40, расположенным непосредственно ниже по потоку от осевого впускного проточного патрубка. При указанном расположении резонатора 40 акустическое давление с высокой амплитудой может быть эффективно уменьшено.

[0020] На фиг.4 P'_IN обозначает волны акустического давления, проходящие от головной концевой части камеры сгорания, a P'_OUT обозначает волны акустического давления, проходящие от переходной части.

[0021] Резонатор 40 на проточном патрубке 60 может быть настроен на ожидаемый частотный диапазон. Кроме того, так как резонатор 40 может быть закреплен на проточном патрубке 60, его легко заменить.

[0022] Резонатор описываемых вариантов выполнения служит для подавления/ослабления акустических волн, порождаемых процессом сгорания. Как следствие, работоспособность и долговечность DLN камеры сгорания может быть увеличена.

[0023] Хотя изобретение описано в связи с наиболее практическими на настоящий момент и предпочтительными вариантами выполнения, следует понимать, что изобретение не должно ограничиваться описанными вариантами выполнения, но, напротив, предполагается охватывающим различные модификации и эквивалентные конструкции, соответствующие идее и объему формулы изобретения.

Камера сгорания газовой турбины содержит корпус, образующий внешнюю границу камеры сгорания, топливные форсунки, расположенные в корпусе и соединенные с источником топлива, жаровую трубу, проточный патрубок, переходную часть, резонатор и кольцевой канал между проточным патрубком и корпусом, причем резонатор расположен в кольцевом канале. Жаровая труба выполнена с обеспечением приема топлива и воздуха из топливных форсунок и ограничивает зону горения. Проточный патрубок расположен между жаровой трубой и корпусом и предназначен для распределения воздуха, выпускаемого из компрессора, к головной концевой части камеры сгорания и для охлаждения жаровой трубы. Переходная часть соединена с жаровой трубой и предназначена для подачи продуктов сгорания к турбине. Резонатор расположен смежно с проточным патрубком выше по потоку от переходной части и выполнен с обеспечением ослабления колебаний давления, порождаемых процессом сгорания. Изобретение направлено на ослабление колебаний давления, порождаемых процессом сгорания. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Камера сгорания газовой турбины, содержащая:

корпус, образующий внешнюю границу камеры сгорания,

топливные форсунки, расположенные в корпусе и соединенные с источником топлива,

жаровую трубу, которая выполнена с обеспечением приема топлива и воздуха из топливных форсунок и которая ограничивает зону горения,

проточный патрубок, расположенный между жаровой трубой и корпусом и предназначенный для распределения воздуха, выпускаемого из компрессора, к головной концевой части камеры сгорания и для охлаждения жаровой трубы,

переходную часть, соединенную с жаровой трубой и предназначенную для подачи продуктов сгорания к турбине, и

резонатор, расположенный смежно с проточным патрубком выше по потоку от переходной части и выполненный с обеспечением ослабления колебаний давления, порождаемых процессом сгорания, и

кольцевой канал между проточным патрубком и корпусом, причем резонатор расположен в кольцевом канале.

2. Камера сгорания по п. 1, в которой резонатор прикреплен к проточному патрубку.

3. Камера сгорания по п. 2, в которой резонатор прикреплен к проточному патрубку смежно с впускным отверстием проточного патрубка.

4. Камера сгорания по п. 1, в которой резонатор расположен смежно с впускным отверстием проточного патрубка.

5. Камера сгорания по п. 1, в которой резонатор является резонатором Гельмгольца.

6. Камера сгорания по п. 5, в которой резонатор содержит трубки, проточно сообщающиеся с воздушным потоком между жаровой трубой и проточным патрубком и проходящие в кольцевой канал между проточным патрубком и корпусом.

7. Камера сгорания по п. 1, в которой резонатор настроен на требуемый диапазон частот.

8. Газотурбинная установка, содержащая:

компрессор, выполненный с возможностью сжатия входящего воздушного потока,

камеру сгорания, выполненную с возможностью смешивания сжатого входящего воздушного потока с топливом и для сжигания смеси воздуха и топлива в зоне горения, и

турбину, выполненную с возможностью приема продуктов сгорания из камеры сгорания,

при этом камера сгорания содержит:

корпус, образующий внешнюю границу камеры сгорания,

топливные форсунки, расположенные в корпусе и соединенные с источником топлива,

жаровую трубу, которая выполнена с обеспечением приема топлива и воздуха из топливных форсунок и ограничивает указанную зону горения,

проточный патрубок, расположенный между жаровой трубой и корпусом и предназначенный для распределения воздуха, выпускаемого из компрессора, к головной концевой части камеры сгорания и для охлаждения жаровой трубы,

переходную часть, соединенную с жаровой трубой и предназначенную для подачи продуктов сгорания к турбине,

резонатор, расположенный смежно с проточным патрубком выше по потоку от переходной части и выполненный с обеспечением ослабления колебаний давления, порождаемых процессом сгорания, и

кольцевой канал между проточным патрубком и корпусом, причем резонатор расположен в кольцевом канале.

9. Установка по п. 8, в которой резонатор прикреплен к проточному патрубку.

10. Установка по п. 8, в которой резонатор прикреплен к проточному патрубку смежно с впускным отверстием проточного патрубка.

11. Установка по п. 8, в которой резонатор является резонатором Гельмгольца.

12. Установка по п. 11, в которой резонатор содержит трубки, проточно сообщающиеся с воздушным потоком между жаровой трубой и проточным патрубком и проходящие в кольцевой канал между проточным патрубком и корпусом.

13. Установка по п. 8, в которой резонатор настроен на требуемый частотный диапазон.

14. Камера сгорания газовой турбины, содержащая:

корпус, образующий внешнюю границу камеры сгорания,

топливные форсунки, расположенные в корпусе и соединенные с источником топлива,

жаровую трубу, которая выполнена с обеспечением приема топлива и воздуха из топливных форсунок и которая ограничивает зону горения,

проточный патрубок, расположенный между жаровой трубой и корпусом и определяющий холодную сторону камеры сгорания, при этом проточный патрубок ограничивает кольцевой поток и предназначен для распределения воздуха, выпускаемого из компрессора, к головной концевой части камеры сгорания и для охлаждения жаровой трубы,

переходную часть, соединенную с жаровой трубой и предназначенную для подачи продуктов сгорания к турбине, и

резонатор, расположенный на холодной стороне камеры сгорания смежно с проточным патрубком ниже по потоку от осевого впускного отверстия, обеспечивающего впускной поток в проточный патрубок, при этом резонатор расположен ниже по потоку от места смешения впускного потока и кольцевого потока относительно потока воздуха, выпускаемого из компрессора, в проточном патрубке, и выше по потоку от переходной части относительно потока газов сгорания в жаровой трубе, при этом резонатор содержит ограниченную полость, настроенную на ослабление колебаний давления, порождаемых процессом сгорания, и имеющую отверстия, выполненные с возможностью свободного проточного сообщения с выпускаемым компрессором потоком воздуха, направляемым к головной концевой части камеры сгорания в проточном патрубке, тем самым обеспечивая ослабление колебаний давления, порождаемых процессом сгорания.

15. Камера сгорания газовой турбины по п. 14, содержащая кольцевой канал между проточным патрубком и корпусом, причем резонатор расположен в кольцевом канале.

16. Камера сгорания газовой турбины по п. 14, в которой резонатор содержит трубки, проточно сообщающиеся с воздушным потоком между жаровой трубой и проточным патрубком и проходящие в кольцевой канал между проточным патрубком и корпусом.